DE102010027294A1 - Conductive and hydrophilic surface modification of a bipolar plate for fuel cells - Google Patents
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Abstract
Eine Brennstoffzelle umfasst eine bipolare Platte mit einer leitenden und hydrophilen Oberflächenschicht, die auf zumindest einem Teil ihres Außenbereichs angebracht ist. Die Oberflächenschicht umfasst ein leitendes Kohlenstoffmaterial mit einer hydrophilen organischen Gruppe, die kovalent an ihrer Oberfläche angelagert ist. Ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Platte und einer Brennstoffzelle wird ebenfalls offenbart.A fuel cell includes a bipolar plate having a conductive and hydrophilic surface layer disposed on at least a portion of its exterior. The surface layer comprises a conductive carbon material having a hydrophilic organic group covalently attached to its surface. A method of manufacturing a bipolar plate and a fuel cell is also disclosed.
Description
Technisches GebietTechnical area
Das technische Gebiet, auf das sich die Offenbarung im Allgemeinen bezieht, umfasst bipolare Platten für Brennstoffzellen.The technical field to which the disclosure generally relates includes bipolar plates for fuel cells.
Hintergrundbackground
Eine Brennstoffzelle besteht gewöhnlich aus einer Reihe von Membranelektrodenanordnungen und bipolaren Platten, die auf alternierende Weise aufeinander gestapelt sind. Die Membranelektrodenanordnung ist typischerweise aus einer ionenleitenden Membran hergestellt, die zwischen jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Membran angeordneten Anoden- und einem Kathodenabschnitten angeordnet ist. Eine bipolare Platte ist ein plattenähnlicher elektrischer Leiter mit einer Vielzahl von Kanälen zum Fluiddurchlauf. Reaktive Gase, die eine Brennstoffzelle versorgen, strömen durch diese Kanäle, um die Anoden- und Kathodenabschnitte zu erreichen, in denen elektrochemische Reaktionen der Gase stattfinden und von denen Elektrizität erzeugt wird. Die Elektrizität, die von den elektrochemischen Reaktionen erzeugt wird, wird gesammelt und durch die bipolare Platte an einen äußeren Stromkreis geleitet. Die bipolare Platte muss somit eine hohe elektrische Leitfähigkeit oder einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen, um den Energieverlust und die Wärmeentwicklung zu reduzieren.A fuel cell usually consists of a series of membrane electrode assemblies and bipolar plates stacked in an alternating manner. The membrane electrode assembly is typically made of an ion conducting membrane disposed between anode and cathode portions respectively disposed on opposite sides of the membrane. A bipolar plate is a plate-like electrical conductor having a plurality of channels for fluid passage. Reactive gases that supply a fuel cell flow through these channels to reach the anode and cathode sections where electrochemical reactions of the gases take place and from which electricity is generated. The electricity generated by the electrochemical reactions is collected and passed through the bipolar plate to an external circuit. Thus, the bipolar plate must have high electrical conductivity or low contact resistance to reduce energy loss and heat generation.
Im Fall einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ist der Wasserhaushalt eine der größten Herausforderungen. Wasser wird in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ständig erzeugt und die ionenleitende Membran muss einen bestimmten Hydratationsgrad beibehalten. Wenn eine Wasserstoff-Brennstoffzelle bei einer geringen Stromdichte betrieben wird, z. B. bei 0,2 A/cm2, ist kein ausreichender Gasstrom vorhanden, um das Wasser zu entfernen, das von der elektrochemischen Reaktion in dem Kathodenabschnitt erzeugt wird. In den Fluiddurchläufen können sich Wassertropfen bilden und die Versorgung der Elektrode mit einem reaktiven Gas blockieren. Ohne die Versorgung mit einem reaktiven Gas erzeugt der blockierte Abschnitt der Brennstoffzelle keine Elektrizität. Die Leistung der Brennstoffzelle wird sich aufgrund der nicht homogenen Stromverteilung verschlechtern. Ein derartiges Phänomen ist als niedrige Leistungsstabilität (LPS) bekannt.In the case of a hydrogen fuel cell, the water balance is one of the biggest challenges. Water is constantly generated in a hydrogen fuel cell and the ion-conducting membrane must maintain a certain degree of hydration. When a hydrogen fuel cell is operated at a low current density, e.g. At 0.2 A / cm 2 , there is insufficient gas flow to remove the water generated by the electrochemical reaction in the cathode section. In the fluid passages, water droplets may form and block the supply of the electrode with a reactive gas. Without the supply of a reactive gas, the blocked portion of the fuel cell does not generate electricity. The performance of the fuel cell will degrade due to the non-homogeneous current distribution. Such a phenomenon is known as low power stability (LPS).
Herkömmliche hydrophile Beschichtungen oder Behandlungen auf einer bipolaren Platte können den Wasserhaushalt verbessern, beeinflussen aber den elektrischen Kontaktwiderstand gewöhnlich negativ. Herkömmliche hydrophile Beschichtungen und Behandlungen können auch zu einer Erhöhung der wasserauslaugbaren Schadstoffe und zu einer elektrochemischen Verschlechterung der bipolaren Platte, der Elektroden und der Membranen führen.Conventional hydrophilic coatings or treatments on a bipolar plate can improve the water balance but usually negatively affect the electrical contact resistance. Conventional hydrophilic coatings and treatments can also result in an increase in water leachable pollutants and electrochemical degradation of the bipolar plate, electrodes, and membranes.
Zusammenfassung von exemplarischen Ausführungsformen der ErfindungSummary of exemplary embodiments of the invention
Eine Ausführungsform schließt eine bipolare Platte für eine Brennstoffzelle mit einer leitenden und hydrophilen Oberflächenschicht ein, die auf zumindest einem Teil ihres Außenbereichs angebracht ist. Die Oberflächenschicht umfasst ein leitendes Kohlenstoffmaterial mit einer hydrophilen organischen Gruppe, die kovalent an ihrer Oberfläche angelagert ist.One embodiment includes a bipolar plate for a fuel cell having a conductive and hydrophilic surface layer disposed on at least a portion of its exterior. The surface layer comprises a conductive carbon material having a hydrophilic organic group covalently attached to its surface.
Eine weitere Ausführungsform schließt ein Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Platte ein, welche die Bereitstellung einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle mit einem Kohlenstoffmaterial, das auf zumindest einem Teil ihres Außenbereichs angebracht ist, das In-Kontakt-Bringen des Kohlenstoffmaterials mit einem organischen Molekül mit zumindest einer hydrophilen Gruppe und das Veranlassen des organischen Moleküls, mit dem Kohlenstoffmaterial so zu reagieren, dass die hydrophile Gruppe kovalent auf dem Kohlenstoffmaterial angelagert wird, umfasst.Another embodiment includes a method of manufacturing a bipolar plate, comprising providing a bipolar plate for a fuel cell with a carbon material mounted on at least a part of its outer region, at least bringing the carbon material into contact with an organic molecule a hydrophilic group and causing the organic molecule to react with the carbon material so that the hydrophilic group is covalently attached to the carbon material.
Eine weitere Ausführungsbeispiel schließt ein Verfahren ein, das die Bereitstellung eines Kohlenstoffmaterials und einer bipolaren Platte für eine Brennstoffzelle, das kovalente Anlagern einer hydrophilen organischen Gruppe auf dem Kohlenstoffmaterial durch eine chemische Reaktion und das Ablagern des Kohlenstoffmaterials auf zumindest einem Teil des Außenbereichs der bipolaren Platte umfasst, um eine leitende und hydrophile Oberflächenschicht zu bilden. Unter Verwendung der bipolaren Platte kann ein Brennstoffzellenstapel zusammengebaut werden.Another embodiment includes a method comprising providing a carbon material and a bipolar plate for a fuel cell, covalently attaching a hydrophilic organic group on the carbon material by a chemical reaction, and depositing the carbon material on at least a part of the exterior of the bipolar plate to form a conductive and hydrophilic surface layer. Using the bipolar plate, a fuel cell stack can be assembled.
Weitere exemplarische Ausführungsformen der Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung offensichtlich, die im Folgenden bereitgestellt wird. Es sollte davon ausgegangen werden, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während diese exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbaren, nur Zwecken der Veranschaulichung dienen und nicht dazu, den Schutzumfang der Erfindung einzuschränken Further exemplary embodiments of the invention will become apparent from the detailed description provided hereinafter. It should be assumed that the detailed Description and specific examples, while disclosing exemplary embodiments of the invention, are for the purpose of illustration only and are not intended to limit the scope of the invention
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, worin:Exemplary embodiments of the present invention will become more fully understood from the detailed description and the accompanying drawings, wherein:
Detaillierte Beschreibung exemplarischer AusführungsformenDetailed description of exemplary embodiments
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich exemplarischer Art und ist in keiner Weise dazu beabsichtigt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungen einzuschränken.The following description of embodiment (s) is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention, its application, or uses.
Es können verschiedene chemische Reaktionen verwendet werden, um die Oberfläche eines Kohlenstoffmaterials zu verändern und hydrophil zu machen. Eine exemplarische Reaktion zwischen einem Kohlenstoffmaterial und einem aromatischen Diazoniumsalz wird in
Es könne alle organischen Moleküle verwendet werden, um mit einem Kohlenstoffmaterial zu reagieren, welche eine hydrophile Gruppe HG, die durch die chemische Formel X–N2 +-Ar-HG dargestellt wird, umfasst. Beispiele für die anionische Gruppe, X–, können Sulfat, Carbonat, Nitrat, Chlorid, Bromid, Iodid, Fluorid, Phosphat, Borat, Chlorat, Hydroxid und Silicat einschließen. Beispiele für das aromatische Radikal, Ar, können ein Radikal von Benzol, Naphthalen, Alkylbenzol, Biphenyl, Triphenyl, Phenol, Pyridin, Anthracen, Pyren, Phenylether, Phenylester und alle anderen ihrer entsprechenden Derivate einschließen. Eine hydrophile Gruppe, -HG, ist ein organisches Radikal mit einer starken Polarität und ist dazu in der Lage, die Oberfläche eines Kohlenstoffmaterials hydrophil zu machen, wenn sie kovalent an der Kohlenstoffoberfläche angelagert ist. Die hydrophile Gruppe kann ein anionisches, kationisches oder nichtionisches Radikal sein. Der Ionencharakter der an Kohlenstoff angelagerten hydrophilen Gruppen erhöht die Robustheit gegenüber einer Verunreinigung, d. h. die Oberfläche bleibt bei Anwesenheit von Luft-Kohlenwasserstoffen länger hydrophil. Beispiele für anionische hydrophile Gruppen schließen Sulfonsäure, Carbonsäure, Phosphonsäure, Boronsäure und ihre entsprechenden Salze ein. Beispiele für nichtionische hydrophile Gruppen können ein Radikal von Alkohol, Keton, Ethoxyl, Polyethylenoxid, Methoxyl, Amid und Harnstoff einschließen. Beispiele für kationische hydrophile Gruppen können ein Radikal von primärer Amin-, sekundärer Amin-, tertiärer Amin-, quaternärer Amin-, Pyridinium- und Phosphoniumgruppe einschließen.All organic molecules could be used to react with a carbon material comprising a hydrophilic group HG represented by the chemical formula X - N 2 + -Ar-HG. Examples of the anionic group, X - , may include sulfate, carbonate, nitrate, chloride, bromide, iodide, fluoride, phosphate, borate, chlorate, hydroxide and silicate. Examples of the aromatic radical, Ar, may include a radical of benzene, naphthalene, alkylbenzene, biphenyl, triphenyl, phenol, pyridine, anthracene, pyrene, phenyl ether, phenyl ester and any other of their corresponding derivatives. A hydrophilic group, -HG, is an organic radical with a strong polarity and is capable of rendering the surface of a carbon material hydrophilic when covalently attached to the carbon surface. The hydrophilic group may be an anionic, cationic or nonionic radical. The ionic character of the hydrophilic groups attached to carbon increases the robustness against contamination, ie the surface remains longer hydrophilic in the presence of air hydrocarbons. Examples of anionic hydrophilic groups include sulfonic acid, carboxylic acid, phosphonic acid, boronic acid and their corresponding salts. Examples of nonionic hydrophilic groups may include a radical of alcohol, ketone, ethoxyl, polyethylene oxide, methoxyl, amide and urea. Examples of cationic hydrophilic groups can include a radical of primary amine, secondary amine, tertiary amine, quaternary amine, pyridinium and phosphonium groups.
Das organische Molekül, X–N2 +-Ar-HG kann durch die Kombination eines aromatischen Amins, umfassend eine hydrophile Gruppe, -HG, mit einem Nitritsalz, salpetriger Säure, Stickstoffdioxid oder einer Mischung aus Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid in situ zubereitet werden. Beispiele für aromatische Amine können Sulfanilsäure, 4-Aminobenzoesäure, 4-Aminosalicylsäure, 7-Amino-4-hydroxy-2-naphthalensulfonsäure, Aminophenylboronsäure, Aminophenylphosphonsäure, 4-Aminophthalsäure, 2-Amino-1-naphthalensulfonsäure, 5-Amino-2-naphthalensulfonsäure, Metanilsäure, N-(4-Aminobenzoyl)-B-alanin, N-(4-Aminobenzoyl)-L-glutaminsäure, p-Aminohippursäure, 2-Naphthylamin-1-sulfonsäure (Tobiassäure) und 1-Amino-4-(trialkylamino)-benzol sein. Wenn ein Nitritsalz, wie z. B. Natriumnitrit, Kaliumnitrid oder Magnesiumnitrid, verwendet wird, kann weiter eine Säure eingeschlossen werden, um die Bildung des Diazoniumsalzmoleküls zu erleichtern. Es kann jede organische oder anorganische Säure verwendet werden, einschließlich z. B. Ameisensäure, Essigsäure, Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und Toluolsulfonsäure. Mehrere exemplarische Reaktionen werden in den folgenden Reaktionsschemata gezeigt (1–3): The organic molecule, X - N 2 + -Ar-HG can be prepared in situ by the combination of an aromatic amine comprising a hydrophilic group, -HG, with a nitrite salt, nitrous acid, nitrogen dioxide or a mixture of nitric oxide and nitrogen dioxide. Examples of aromatic amines include sulphanilic acid, 4-aminobenzoic acid, 4-aminosalicylic acid, 7-amino-4-hydroxy-2-naphthalenesulfonic acid, aminophenylboronic acid, aminophenylphosphonic acid, 4-aminophthalic acid, 2-amino-1-naphthalenesulfonic acid, 5-amino-2-naphthalenesulfonic acid , Metanilic acid, N- (4-aminobenzoyl) -B-alanine, N- (4-aminobenzoyl) -L-glutamic acid, p-aminohippuric acid, 2-naphthylamine-1-sulfonic acid (Tobias acid) and 1-amino-4- (trialkylamino ) benzene. If a nitrite salt, such as. As sodium nitrite, potassium nitride or magnesium nitride is used, an acid can be further included to facilitate the formation of the diazonium salt molecule. Any organic or inorganic acid may be used, including e.g. For example, formic acid, acetic acid, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid and toluenesulfonic acid. Several exemplary reactions are shown in the following reaction schemes (1-3):
Das Kohlenstoffmaterial kann jede elektrisch leitende Form von Kohlenstoff oder Kohlenverbundwerkstoff einschließen. Beispiele für Kohlenstoffmaterial können Graphit, Ruß, amorphen Kohlenstoff, Kohlenstofffaser, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kohlenverbundwerkstoff einschließen.The carbon material may include any electrically conductive form of carbon or carbon composite. Examples of carbon material may include graphite, carbon black, amorphous carbon, carbon fiber, carbon nanotubes, and carbon composite.
Das organische Diazoniummolekül kann mit Kohlenstoffmaterial in einem großen Bereich von Bedingungen reagieren. Die Reaktion kann in einem Temperaturbereich von 0°C bis ungefähr 100°C und bei einem pH zwischen 1 und 9 durchgeführt werden. Die Reaktion kann in einer wässrigen Lösung, in einem polaren organischen Lösemittel oder in einer Lösemittelmischung durchgeführt werden. Die Reaktion kann in einer wässrigen Lösung oder in Anwesenheit einer Säure leicht stattfinden. Je nach dem Verhältnis zwischen der Menge an organischen Molekülen und dem Oberflächenbereich des Kohlenstoffmaterials können verschiedene Mengen der hydrophilen Gruppen kovalent an der Oberfläche des Kohlenstoffmaterials angelagert werden. Die Menge an kovalent angelagerten hydrophilen Gruppen auf dem Kohlenstoffmaterial kann zwischen ungefähr 0,01 bis ungefähr 5 Millimol pro Quadratmeter (mmol/m2) oder 0,1 bis 4 mmol/m2 liegen. Der Wasserkontaktwinkel der veränderten Kohlenstoffmaterial-Oberflächenschicht liegt typischerweise unterhalb von ungefähr 40 Grad oder unterhalb von 20 Grad.The organic diazonium molecule can react with carbon material in a wide range of conditions. The reaction may be carried out in a temperature range from 0 ° C to about 100 ° C and at a pH between 1 and 9. The reaction can be carried out in an aqueous solution, in a polar organic solvent or in a solvent mixture. The reaction can easily take place in an aqueous solution or in the presence of an acid. Depending on the ratio between the amount of organic molecules and the surface area of the carbon material, various amounts of the hydrophilic groups may be covalently attached to the surface of the carbon material. The amount of covalently attached hydrophilic groups on the carbon material may be between about 0.01 to about 5 millimoles per square meter (mmol / m 2 ) or 0.1 to 4 mmol / m 2 . The water contact angle of the altered carbon material surface layer is typically below about 40 degrees or below 20 degrees.
Das veränderte Kohlenstoffmaterial mit einer hydrophilen Gruppe, HG, kovalent an seiner Oberfläche angelagert, zeigt hydrophile Eigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Beschichtung unter Verwendung von anorganischen Oxiden oder hydrophilen Harzen laugt die kovalent angelagerte hydrophile Gruppe während des Brennstoffzellenbetriebs nicht in Wasser aus. Die hydrophile Wirkung ist in einem großen Bereich von Brennstoffzellen-Betriebsbedingungen sehr dauerhaft und elektrochemisch stabil. Der elektrische Kontaktwiderstand der veränderten Kohlenstoff-Oberflächenschicht ist typischerweise ähnlich demjenigen der Kohlenstoff-Oberflächenschicht ohne Veränderung. Obwohl der Anmelder nicht wünscht, an eine bestimmte Theorie gebunden zu werden oder von dieser gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass die starke Polarität der hydrophilen Gruppe bei einer molekularen Dicke auf der Oberfläche eines Kohlenstoffmaterials die elektrische Leitung auf einer Kontaktschnittstelle nicht negativ beeinflusst. Wenn eine ionische hydrophile Gruppe auf der Kohlenstoffmaterial-Oberfläche angelagert ist, ist auch ein ionischer Leitungsmechanismus möglich. Einige der hydrophilen Gruppen, wie z. B. Benzolsulfonsäure, Benzolphosphonsäure, Benzolcarbonsäure, Phthalsäure, Terephthalsäure, Isophthalsäure, ihre entsprechenden Salze und Derivate zeigen eine hohe elektrochemische Stabilität und halten somit harten Betriebsbedingungen in einem anspruchsvollen Brennstoffzellendesign stand.The altered carbon material with a hydrophilic group, HG, covalently attached to its surface, exhibits hydrophilic properties and good electrical conductivity. Unlike a conventional coating using inorganic oxides or hydrophilic resins, the covalently attached hydrophilic group does not leach into water during fuel cell operation. The hydrophilic effect is very durable and in a wide range of fuel cell operating conditions electrochemically stable. The electrical contact resistance of the altered carbon surface layer is typically similar to that of the carbon surface layer without change. Although applicant does not wish to be bound by or bound by any particular theory, it is believed that the strong polarity of the hydrophilic group at a molecular thickness on the surface of a carbon material does not adversely affect the electrical conduction on a contact interface. When an ionic hydrophilic group is attached to the carbon material surface, an ionic conduction mechanism is also possible. Some of the hydrophilic groups, such as. B. benzenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, benzenecarboxylic acid, phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid, their corresponding salts and derivatives show high electrochemical stability and thus withstand harsh operating conditions in a sophisticated fuel cell design.
Ein verändertes Kohlenstoffmaterial kann auf einer bipolaren Platte für Brennstoffzellen unter Verwendung von verschiedenen Ablageverfahren abgelegt werden, darin eingeschlossen, aber nicht beschränkt auf, ionische Adsorptions-, chemische Gasphasenabscheidungs-, physikalische Gasphasenabscheidungs-, Atomlagenbeschichtungs-, Sprühbeschichtungs-, Plasmaabscheidungs-, Tauchbeschichtungs-, Drawndown-Beschichtungs-, Druck-, elektrochemische Beschichtungs- und Wärmesprühverfahren. Ein exemplarisches ionisches Adsorptionsverfahren wird in
Das Substrat der bipolaren Platte kann unter Verwendung von allen elektrisch leitenden und mechanisch robusten Materialien konstruiert werden. Beispiele für Substrate von bipolaren Platten können Graphitplatten, kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff, kohlenstofffaserverstärkten Kohlenverbundwerkstoff, Edelstahllegierungen, Titan, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und dergleichen einschließen. Wenn ein Metall oder eine Metalllegierung als das Substrat einer bipolaren Platte verwendet wird, kann eine korrosionsresistente und leitende Beschichtung oder Behandlung auf die Oberfläche der bipolaren Platte aufgetragen werden, bevor eine Schicht Kohlenstoffmaterial abgelagert wird. Die korrosionsresistente Beschichtung oder Behandlung kann Edelmetall (wie z. B. Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Indium und Osmium), leitende Metalloxide, Metallnitride, Metalloxynitride und Kohlenstoff umfassen. Eine bipolare Metallplatte kann auch chemisch oder elektrochemisch durch Anodisieren passiviert werden. Die korrosionsresistente Beschichtung oder Behandlung kann durch chemische Gasphasenabscheidungs-, physikalische Gasphasenabscheidungs-, Atomlagenbeschichtungs-, Sprühbeschichtungs-, Plasmaabscheidungs-, Tauchbeschichtungs-, elektrochemische Beschichtungs- und Wärmesprühverfahren aufgetragen werden.The substrate of the bipolar plate can be constructed using all electrically conductive and mechanically robust materials. Examples of bipolar plate substrates may include graphite plates, carbon fiber reinforced composite, carbon fiber reinforced carbon composite, stainless steel alloys, titanium, titanium alloys, copper alloys, aluminum, aluminum alloys, and the like. When a metal or metal alloy as the substrate of a bipolar plate a corrosion resistant and conductive coating or treatment can be applied to the surface of the bipolar plate before a layer of carbon material is deposited. The corrosion resistant coating or treatment may include precious metal (such as gold, platinum, ruthenium, rhodium, palladium, indium, and osmium), conductive metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and carbon. A bipolar metal plate may also be passivated by anodization chemically or electrochemically. The corrosion resistant coating or treatment may be applied by chemical vapor deposition, physical vapor deposition, atomic layer coating, spray coating, plasma deposition, dip coating, electrochemical coating and heat spraying techniques.
Eine bipolare Platte kann unter Verwendung eines Graphit- oder Kohlenstoff-Verbundmaterials erstellt werden. Der Gasstromkanal und andere mechanische Merkmale können auf der Platte geformt oder mechanisch erzeugt werden. Wie in
Unter Bezugnahme auf die
Eine Brennstoffzelle kann unter Verwendung der oben beschriebenen bipolaren Platte hergestellt werden. Unter Bezugnahme auf die
Beispielexample
10 Gramm Rußpulver, Vulcan XC-72, erhalten von der Cabot Corporation, wurden mit 250 ml 0,05 M Salpetersäure (HNO3), 15 ml Isopropylalkohol (als Benetzungsmittel) und 30 Millimol Sulfanilsäure (erworben von Aldrich) gemischt. Die Mischung wurde gerührt und bei ungefähr 0°C gehalten. Eine Lösung aus 33 Millimol Natriumnitrit (NaNO2), gelöst in 30 ml Wasser, wurde der oben genannten Mischung tropfenweise unter Rühren hinzugefügt. Die Mischung wurde 2 Stunden lang bei ungefähr 0°C gerührt, bevor 150 Millimol Ameisensäure tropfenweise der Mischung hinzugefügt wurden. Der Mischung wurde es ermöglicht, sich über Nacht schrittweise auf Raumtemperatur zu erwärmen, und sie wurde dann 1 Stunde lang auf ungefähr 70°C erhitzt. Die Ruß-Oberfläche wird somit durch eine kovalent angelagerte Benzolsulfonsäuregruppe verändert, wie im folgenden Reaktionsschema gezeigt: 10 grams of carbon black powder, Vulcan XC-72, obtained from Cabot Corporation, was mixed with 250 ml of 0.05 M nitric acid (HNO 3 ), 15 ml of isopropyl alcohol (as wetting agent) and 30 millimoles of sulphanilic acid (purchased from Aldrich). The mixture was stirred and kept at about 0 ° C. A solution of 33 millimoles of sodium nitrite (NaNO 2 ) dissolved in 30 ml of water was added dropwise to the above mixture with stirring. The mixture was stirred for 2 hours at about 0 ° C before 150 millimoles of formic acid was added dropwise to the mixture. The mixture was allowed to gradually warm to room temperature overnight and then heated to about 70 ° C for 1 hour. The carbon black surface is thus changed by a covalently attached benzenesulfonic acid group, as shown in the following reaction scheme:
Der veränderte Kohlenstoff in der Mischung wird durch Zentrifugierung abgetrennt und durch ein Ultraschall-Zentrifugier-Dekantier-Verfahren in Wasser gereinigt. Das gereinigte Kohlenstoffmaterial wird in Vakuum getrocknet.The altered carbon in the mixture is separated by centrifugation and purified in water by an ultrasonic centrifuging-decanting method. The cleaned carbon material is dried in vacuum.
Durch ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren wird eine ferritische (z. B. 430) oder austenitische (z. B. 316L) bipolare Edelstahl-Platte mit Gasstromkanälen, welche durch ein Prägeverfahren erzeugt worden ist, mit einer Goldoberflächenlage abgelagert.By a physical vapor deposition method, a ferritic (e.g., 430) or austenitic (e.g., 316L) bipolar stainless steel plate having gas flow channels formed by an embossing process is deposited with a gold surface layer.
Ein ionisches Adsorptionsverfahren wurde dann verwendet, um eine hydrophile und leitende Kohlenstoff-Oberflächenschicht auf der bipolaren Platte zu bilden. Eine kationische Schicht wurde zunächst auf der bipolaren Platte durch Eintauchen der bipolaren Platte in eine wässrige Lösung eines Poly(trimethylaminoethylmethacrylat-coacrylamid)methylsulfats adsorbiert. Die bipolare Platte wurde dann in deionisiertem Wasser gespült, bevor sie, wie oben beschrieben, in eine Lösung des veränderten Rußes Vulcan XC-72 eingetaucht wurde. Aufgrund der starken ionischen Wechselwirkung zwischen der kovalent angelagerten anionischen Sulfonsäuregruppe und dem adsorbierten kationischen Polymer bildete der veränderte Ruß eine stark adsorbierte Kohlenstoff-Oberflächenschicht. Die bipolare Platte wurde dann in Wasser gespült, um alle Salzrückstände zu entfernen. Das oben erwähnte ionische Adsorptionsverfahren wurde 2, 4 und 8 Mal (hier bezeichnet als 2-dip, 4-dip und 8-dip) individuell auf 3 getrennten bipolaren Platten durchgeführt, bevor die bipolaren Platten getrocknet wurden. Die Anodenseite der bipolaren Platte wurde mit verschiedenen Drücken gegen eine Teflon-beschichtete Kohlepapier-Gasdiffusionsschicht gepresst, um den Kontaktwiderstand (auch Grenzflächen-Kontaktwiderstand genannt) zu messen. Die Ergebnisse werden im folgenden Diagramm gezeigt. Es kann ein Kontaktwiderstand von ungefähr 20 Milliohm cm2 (mohm cm2) bei ungefähr 150 Psi erhalten werden. Wie im unten angegebenen Diagramm gezeigt hat die goldbeschichtete bipolare Platte ohne eine Kohlenstoff-Oberflächenschicht einen sehr ähnlichen Kontaktwiderstand wie ähnliche bipolare Platten mit einer abgelagerten veränderten Kohlenstoff-Oberflächenschicht. Außerdem zeigt die bipolare Platte mit einer leitenden und hydrophilen Kohlenstoff-Oberflächenschicht einen Wasserkontaktwinkel von anfänglich 10 Grad oder weniger und weniger als ungefähr 20 Grad nach 45 Tagen Einweichen in 80°C heißem Wasser, was eine dauerhaften hydrophilen Effekt zeigt.An ionic adsorption process was then used to form a hydrophilic and conductive carbon surface layer on the bipolar plate. A cationic layer was first adsorbed on the bipolar plate by immersing the bipolar plate in an aqueous solution of poly (trimethylaminoethyl methacrylate-co-acrylamide) methyl sulfate. The bipolar plate was then rinsed in deionized water before being immersed in a solution of the modified Vulcan XC-72 carbon black as described above. Due to the strong ionic interaction between the covalently attached anionic sulfonic acid group and the adsorbed cationic polymer, the altered carbon black formed a highly adsorbed carbon surface layer. The bipolar plate was then rinsed in water to remove any salt residues. The above-mentioned ionic adsorption process was performed 2, 4 and 8 times (referred to herein as 2-dip, 4-dip and 8-dip) individually on 3 separate bipolar plates before the bipolar plates were dried. The anode side of the bipolar plate was pressed at various pressures against a Teflon-coated carbon paper gas diffusion layer to measure the contact resistance (also called interfacial contact resistance). The results are shown in the following diagram. A contact resistance of about 20 milliohm cm 2 (mohm cm 2 ) at about 150 psi can be obtained. As shown in the diagram below, the gold-coated bipolar plate without a carbon surface layer has a very similar contact resistance to similar bipolar plates having a deposited modified carbon surface layer. In addition, the bipolar plate having a conductive and hydrophilic carbon surface layer exhibits a water contact angle of initially 10 degrees or less and less than about 20 degrees after 45 days of soaking in 80 ° C hot water, exhibiting a lasting hydrophilic effect.
Die oben angegebene Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist lediglich exemplarisch und somit werden Variationen davon nicht als Abweichung von Geist und Schutzumfang der Erfindung betrachtet.The above description of embodiments of the invention is merely exemplary in nature and, thus, variations thereof are not considered to depart from the spirit and scope of the invention.
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